Snižování hořlavosti plastů

1. Úvod

V roce 2014 překročila světová spotřeba plastů poprvé hranici 300 mil. tun, když, dle zatím neoficiálních údajů dosáhla výše 315 mil.tun, tj. růst o 5,4 %. Evropa ve spotřebě dlouhodobě stagnuje, když dosáhla nižších hodnot růstu, konkrétně o 1,5 % na 47 mil. tun. Největší evropský producent plastů – Německo zaznamenal dokonce v roce 2014 pokles ve výrobě o 2,5 % na 19,4 mil. tun. Do evropské rodiny plastikářů patří více než 60 tis. firem s téměř 1,5 milionem zaměstnanců a obratem více než 320 miliard Euro.

Extrémní růst výroby a spotřeby plastů, malé zkušenosti s aplikacemi a využíváním plastů po skončení jejich životnosti vedou často k negativním kampaním proti plastům.

Jako příklad lze uvést nepřesné údaje o plastech a jejich hořlavosti, retardérech hoření a toxicitě kouřových plynů. Většinou se jedná o nepřesnosti z důvodu neinformovanosti, někdy i o úmysl.

2. Hořlavost plastů

Jako drtivá většina organických látek, tak i plasty jsou materiály hořlavé a mohou přispívat ke vzniku a šíření požáru. Je proto zapotřebí se systematicky zabývat požární bezpečností plastů při jejich používání a přijímat účinná preventivní opatření. Toto úsilí vyžaduje znalosti o chování plastů při vzniku a průběhu hoření a o souvislostech mezi těmito jevy a složením plastů.

Prostředkem pro posuzování požárního nebezpečí plastu jsou požárně technické charakteristiky, které vystihují chování plastů při vzniku a průběhu hoření. Požárně technické charakteristiky stanovujeme pomocí standardních zkušebních metod, jejichž zavádění a využívání je předpokladem komplexního posuzování plastů a jejich vhodného výběru pro konkrétní podmínky použití v praxi z hlediska požární bezpečnosti.

Jednou z metod posouzení hořlavosti je stanovení kyslíkového čísla. Toto číslo odpovídá minimální koncentraci kyslíku v objemových procentech ve směsi kyslíku s dusíkem při teplotě 23 ±2 °C, která je právě schopna udržovat hoření za předepsaných podmínek zkoušky. Hodnoty pro vybrané plasty jsou uvedeny v tabulce I., přičemž platí, že čím je hodnota kyslíkového čísla vyšší, tím je plast méně hořlavý.

Inovační potenciál plastů je značný, zvyšuje se přídavkem aditiv do primárních plastů.

3. Aditiva pro plasty

Jedná se o látky, které se přidávají k polymerům během polymerace nebo ve finální fázi výroby primárních polymerů, nebo při modifikaci vlastností plastů v rámci kompaundování za účelem modifikace vlastností.

Mezi hlavní aditiva pro plasty se řadí: antioxidanty, stabilizátory, změkčovadla, modifikátory houževnatosti, retardéry hoření. Použití aditiv je omezeno předpisy pro aplikace v segmentech jako je potravinářství, lékařství, stavebnictví, kde se musí podrobit procesům schválení z hlediska jejich uvolňování a toxicity. Podle agentury AMR se má zvýšit spotřeba aditiv pro plasty z 12,6 mil. tun spotřebovaných v roce 2013 na 17,1 mil. tun v roce 2020, což představuje průměrný roční růst o 4,4 %. Významnou roli při zvyšování požární bezpečnosti plastů mají prostředky pro zlepšení jejich požárně technických charakteristik (retardéry) a spolehlivé údaje o mechanismu působení retardéru a vhodných způsobech jejich použití pro jednotlivé druhy plastů.

4. Retardéry hoření pro plasty

Obr. č. 1 – Systém ETICS pro zateplování obálky budov. Zdroj: Sdružení EPS ČR.

Preventivním opatřením proti hořlavosti plastů je aplikace retardérů hoření. Retardéry můžeme rozdělit do tří skupin:

• Látky, které se přidávají spolu s jinými přísadami do polymerů za účelem úpravy jejich vlastností (aditivní retardéry). Příkladem jsou XPS desky.
• Látky, které jsou součástí reakční směsi při syntéze polymeru (polymeraci), vstupují do makromolekulárního řetězce polymeru a zůstávají v něm trvale chemicky vázány (reaktivní retardéry). Příkladem jsou EPS perličky.
• Směsi látek nebo kombinace materiálů upravené do formy schopné vytvořit ochrannou vrstvu na povrchu výrobků z plastů (povrchové retardéry). Příkladem ze stavebnictví je vnější kontaktní zateplovací systém ETICS – obr. č. 1.

Obr. č. 2 – Podíl hlavních typů retardérů hoření na spotřebě pro plasty. Zdroj Clariant.

Světová spotřeba retardérů hoření dosáhla v roce 2013 dle Ceresany 2 miliony tun a hodnoty 5,9 miliard USD. Do roku 2016 má spotřeba růst průměrně ročně o 5,4 % na 2,6 mil. tun.

Na trhu je k dispozici přes 1400 typů retardérů hoření od stovky výrobců, z toho 75 bromovaných. Podíl hlavních skupin dle hmotnosti ve světě je patrný z obr. č. 2. Z hlediska obratu dominují bromované retardéry hoření, následované organickými fosfáty, kysličníkem antimonitým a hydroxidem hlinitým. K dosažení nehořlavosti plastů je nutné dávkovat více než 10 % retardérů hoření plus další synergické látky.

5. Energie a budovy

Současné světové úsilí je věnováno snižování exhalací CO₂ jako hlavní příčiny oteplování planety. V přípravě je Pařížský summit, který by měl rozhodnout o míře dalšího pokračování Kjótského protokolu. Cíleně by se mělo v EU dosáhnout do roku 2050 snížení exhalací CO₂ o 85–90 % oproti roku 1990.

Obr. č. 3 – Evropský trh s izolacemi v roce 2012. Kamenná a skelná vlna, EPS, XPS, PUR/PIR. Zdroj: IAL Consultion.

Budovy mají největší podíl (40 %) na spotřebě energií a exhalací CO₂ (20 %). Cílem je, do roku 2050 snížit množství exhalací CO₂ budov o 88–91 %. Řešení spočívá v kombinaci výstavby nových budov se spotřebou energií blízko nule – Nařízení 2010/31/EU a v renovaci staršího bytového fondu. – Nařízení 2012/27/EU (EED). Nově realizované budovy po roce 2020 se budou v roce 2050 podílet max. 25 % na bytovém fondu. Zbývající budovy bude nutno renovovat na úroveň spotřeby energie blízké nule. V současné době se v EU renovuje ročně kolem 1 % bytového fondu, tento podíl je nutno do roku 2050 ztrojnásobit. Ideální cestou k úsporám energie v budovách je komplexní renovace obálky budovy, včetně tepelné izolace a výměny oken a rozvodů energií. Tomu napomáhají aplikace plastů, zejména PVC a izolanty EPS, XPS, PUR – obr. č. 3. Do roku 2018 by v Evropě měla růst spotřeba plastových izolací o 7,7 % ročně.

6. Aplikace EPS v budovách

Desky EPS mají již 50 let nezastupitelnou roli při izolacích budov. Jejich specifickou vlastností je, že obsahují 98 % vzduchu a pouze 2 % polystyrenu. Pro EPS aplikace ve stavebnictví jsou výše uvedené koncentrace retardéru nemožné a je proto požadována klasifikace izolačních stavebních výrobků dle ČSN EN 13 501-2, třída reakce na oheň E.

Výrobci suroviny – zpěňovatelného PS – používají k retardaci bromovaná zhášedla v koncentraci do 0,7 % a produkt nazývají jako samozhášivý, tj. po odstranění plamene dojde k ukončení hoření. Takovýto materiál je rezistentní proti malým zdrojům hoření (do 25 KW/m²). Při zdroji hoření nad 50 KW/m² není rozdíl v chování EPS s retardérem a bez retardéru. EPS bez retardéru hoření má dle výše uvedené normy třídu reakce na oheň F. Tyto produkty mají omezené aplikace při izolacích budov, dané článkem 3.1.3 ČSN EN 73 0810.

Retardační účinek je založen především na reakci bromovodíku s aktivními radikály –OH a –H vznikajícími hořením v plynné fázi. Účinnost retardéru se zvyšuje přídavkem synergických látek dle know-how výrobců EPS.

Problematiku více než 50letého používání retardéru hoření hexabromcyklododekanu (HBCD) jsem popsal na tomto webu v prosinci 2014 a doplňuji pouze o informaci z ledna 2015, že ECHA předkládá ke schválení Evropské komisi návrh na možnost používání HBCD pro aplikace EPS ve stavebnictví do 21. 8. 2017.

Současná spotřeba EPS v Evropě se blíží 2 mil. tun, XPS desek kolem 0,4 mil.tun. Zatímco XPS se aplikují pouze ve stavebnictví, EPS výrobky vykazují ve stavebních aplikacích v EU 78% podíl, v ČR dokonce 88%. Do roku 2050 se předpokládá zvýšení světové spotřeby EPS ze současných 6 mil. tun na hodnoty 13–15 mil. tun.

V EU dominuje v izolaci vnějších stěn systém ETICS. Tímto systémem již bylo izolováno přes 2 miliardy m² budov, přičemž ročně se zatepluje více než 150 mil. m², v ČR 14 mil. m². Tloušťka použitých izolantů se postupně zvyšuje až k 300 mm. V těchto aplikacích se z 82% jako izolant používá EPS.

Zabudování EPS do staveb je záležitostí národních předpisů. Základní požární norma ČSN EN 73 0810 platí od dubna 2009, změna Z1 od května 2012. EPS izolace hrají hlavní roli v systémech ETICS pro fasády (v Německu 82% podíl). Zásadní parametry systému jsou popsány v EOTA ETAG 004 s poslední revizí v roce 2013.

Po požáru nedokončené fasády s EPS izolací ve Frankfurtu dne 29. 5. 2012 a dvou kriminálních případech založení požáru zapálením kontejnerů na odpady dala Konference ministrů stavebnictví podnět k přezkoumání kriterií pro schvalování EPS izolací na domovní fasády.

Na základě vyhodnocení řady testů, dospěla Konference ministrů stavebnictví, konaná 13.–14. 11. 2014, k těmto závěrům:

• Je nutno zpřísnit kontroly dodržování stávajících bezpečnostních předpisů při montážích ETICS,
• Dosud montované systémy ETICS s EPS požívají ochranu stávajícího stavu. Dodatečné požadavky lze vznášet jenom když existuje značné nebezpečí ohrožení života a zdraví,
• Doporučuje se doplnit „Technická informace o systému WDVS“ o horizontální přepážky ve výšce 0,6 m a 3,0 m nad soklem.

Obr. č. 4 – Dům ve Frenštátě pod Radhoště po výbuchu a následném požáru. Zdroj L. Valeš.

Následně v březnu 2015 zpracovalo Sdružení WDVS odborné Sdružení pro tepelně izolační kompozitní systémy (www.ea-etics.com) nové přepracované vydání kapitoly „Protipožární ochrana“. Má 54 stran, včetně obrázků detailů.

Obecně platí, že dokonale provedený vnější tepelně izolační kompozitního systém (ETICS) je z hlediska požáru bezpečný. Připomínám událost z roku 2013 s výbuchem plynu a následným požárem v bytovém domě ve Frenštátě pod Radhoštěm. Typový bytový dům, který byl kolaudován v roce 1973 a v roce 2009 byl dodatečně zateplen kontaktním systémem Baumit, byl v noci 17. 2. 2013 úmyslně zapálen, přičemž došlo k úmrtí 6 osob a ke zranění dalších 12 lidí. Z výsledků šetření je patrné, že dokonalé provedení zateplení pomocí EPS nezpůsobilo rozšíření požáru a zabránilo tím zvýšení počtu obětí – obr. č. 4

7. Toxicita zplodin hoření EPS

Když je EPS vystaven teplotě nad 100 °C, začíná měknout, sublimovat a nakonec se taví. Při vyšších teplotách se vytvářejí plynné hořlavé produkty rozkladem taveniny. Teplota zapálení EPS je 360 °C, u typů s retardéry hoření je to 370 °C. Důležitou skutečností je, že EPS izolace je tvořena pouze 2–3% polystyrenem a zbytek je vzduch.

Obr. č. 5 – Grafické znázornění konvenčního indexu toxicity (CIT) pro hoření produktů v trvání 480 vteřin. Zdroj: Plastics Europe.

Teplota samovznícení roztaveného EPS bez retardéru hoření je 450 °C. Kouř a kouřové emise jsou významným faktorem při likvidaci požárů. Již v 80. letech minulého století bylo vědecky zdokumentováno, že, i když při hoření EPS vzniká více tmavého kouře, toxicita uvolněných kouřových plynů je podstatně menší než toxicita jiných běžně používaných materiálů. Toxicita plynů byla měřena pro dřevo, vlnu, hedvábí, bavlnu, retardérem hoření upravenou bavlnu a dva typy EPS.

Nejnovější výsledky nákladného testování různých izolantů byly publikovány na www.plasticseurope.org, viz tabulku II. nebo obr. č. 5. Testy byly provedeny v laboratořích ve Švédsku dle EN 45545-2: 2013 v testovací komoře dle EN ISO 5659-2 při teplotním zatížení 25 a 50 KW/m².

Po zahájení testu a jeho trvání 240 a 480 vteřin byly analyzovány tyto produkty: CO₂, CO, HCN, NO_X, SO₂, HCL, HF, HBr. Z naměřených hodnot byl spočítán CIT – konvenční index toxicity. Výsledky jsou uvedeny na obr. č. 5 pro dobu hoření 480 vteřin. Při době hoření 240 vteřin byl CIT u EPS, až na jednu výjimku nula.

V závěrečném protokolu bylo konstatováno:

• konvenční index toxicity (CIT) pro EPS a XPS se pohybuje mezi 0 až 0,04,
• výsledky nejsou ovlivněny typem retardéru hoření, ani přídavkem grafitu v šedých typech EPS,
• CIT u přírodních izolací je významně vyšší – 0,05 až 0,23,
• CIT u izolací z kamenné vlny se pohybují mezi 0,01 až 0,13. Horší výsledky oproti EPS a XPS jsou zřejmě způsobeny úpravou vlastností kamenné vlny organickými látkami (dle prospektů v množství 2–4 %).

Je skutečností, že při požáru vytváří EPS izolace více kouře než jiné materiály. Z toho důvodu se často mylně předpokládá, že kouř pochází z EPS, i když tyto výrobky v místě požáru nejsou přítomny. Při teplotách v rozmezí 400–800 °C nebyl prokázán z EPS s HBCD výskyt furanů a dioxinů. Při důkladných, vědecky sledovaných testech spalování EPS a XPS s HBCD na spalovně odpadů ve Würzburgu bylo změřeno, že při spalování se HBCD rozloží z 99,999%.

8. Statistiky požárů

Kolem 80 % požárů se vyskytuje v obytných budovách. V období 1979–2007 došlo k růstu celosvětové spotřeby plastů o 31,2 %. Ve stejném období došlo ke snížení počtu úmrtí při požárech budov o 64 % v západní Evropě a o 66 % ve východní Evropě – obr. č. 6. Nelze tedy přisuzovat požáry v budovách na konto aplikace plastů.

Obr. č. 6 – Počet úmrtí při požárech na milion obyvatel ve východní Evropě (Slovinsko, Maďarsko, ČR, Polsko a Řecko), Severní Americe a západní Evropě (shora). Zdroj http://www.usfa.fema.gov/data/statistics/.

Obr. č. 7 – Výroba plastů v Německu versus počet úmrtí při požárech v Německu v období 1980–2013. Zdroj: Plastics Deutschland.

Preventivní opatření při výstavbě a rekonstrukci budov z hlediska požárního nebezpečí jsou tedy účinná, i když podíl plastových aplikací v izolacích budov trvale roste. Z odpovědi Německé spolkové vlády na 35 otázek poslanců z frakce Zelených ze dne 26. 2. 2015 vyplývá, že podíl požárů v přítomnosti EPS činí 0,0038% – viz obr. č. 7. V ČR se požáry s EPS neevidují. Ročně zahyne ve světě při požárech na každý milion obyvatel 10–20 osob, v Evropě 12, v ČR 11 v roce 2014.

9. Závěr

Světové úsilí o postupné snižování spotřeby energií a exhalací CO₂ bude motorem pro výstavbu nových budov se spotřebou energií blízké nule a revitalizace, včetně zateplování stávajících budov. V tomto procesu budou hrát významnou roli EPS izolace. Ke snížení jejich hořlavosti, zejména v procesu realizace na stavbách, budou vyžadovány typy EPS s retardéry hoření. Proces aplikací samozhášivých EPS izolantů bude pokračovat i po zákazu používání retardéru hoření typu HBCD v souladu s aplikací nového ekologicky nezávadného retardéru hoření.

Náhrada novým ekologicky přijatelným typem retardéru Polymeric FR je technicky zvládnutá a čeká se pouze na plné najetí výrobních kapacit pro umožnění plné náhrady HBCD. V současné době již na českém trhu je k dispozici více než polovina EPS desek s novým retardérem hoření. Sdružení EPS ČR usiluje o totální přechod od EPS s HBCD ve 2. polovině roku 2015 s tím, že nové typy budou odlišeny jiným barevným značením – pokud je druhý pruh v barvě černé a po obou stranách je ohraničen dvěma silnými čarami, potom výrobek splňuje třídu reakce na oheň E a neobsahuje HBCD.

Jako nezbytnost se jeví efektivní způsob třídění EPS odpadů a energetické využití typů EPS s HBCD, neboť skládkování nebude nadále možné.

Literatura

• Masařík, J., Plasty a jejich požární nebezpečí, Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, Ostrava 2013
• Vörös, F., Snižování hořlavosti EPS izolací, Tepelná ochrana budov, 2015, č. 2, str. 7
• Vörös, F., Aktuální údaje o plastech a využití plastových odpadů, www.tzb-info.cz, 17. 11. 2014
• Vörös, F., Odpadní pěnový polystyren, www.tzb-info.cz, 22. 12. 2014